详解Java ReentrantReadWriteLock读写锁的原理与实现
概述
ReentrantReadWriteLock读写锁是使用AQS的集大成者，用了独占模式和共享模式。本文和大家一起理解下ReentrantReadWriteLock读写锁的实现原理。在这之前建议大家阅读下下面3篇关联文章：
深入浅出理解java并发AQS的独占锁模式
深入浅出理解Java并发AQS的共享锁模式
通俗易懂读写锁ReentrantReadWriteLock的使用
原理概述
上图是ReentrantReadWriteLock读写锁的类结构图：
- 实现了
ReadWriteLock接口，该接口提供了获取读锁和写锁的api。 ReentrantReadWriteLock读写锁内部的成员变量readLock是读锁，指向内部类ReadLock。ReentrantReadWriteLock读写锁内部的成员变量writeLock是写锁，指向内部类WriteLock。ReentrantReadWriteLock读写锁内部的成员变量sync是继承AQS的同步器，他有两个子类FairSync公平同步器和NoFairSync非公平同步器，读写锁内部也有一个sync，他们使用的是同一个sync。
读写锁用的同一个sync同步器，那么他们共享同一个state, 这样不会混淆吗？
不会，ReentrantReadWriteLock读写锁使用了AQS中state值得低16位表示写锁得计数，用高16位表示读锁得计数，这样就可以使用同一个AQS同时管理读锁和写锁。
1.ReentrantReadWriteLock类重要成员变量
// 读锁
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
// 写锁
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
// 同步器
final Sync sync;
2.ReentrantReadWriteLock构造方法
//默认是非公平锁，可以指定参数创建公平锁
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
// true 为公平锁
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
// 这两个 lock 共享同一个 sync 实例，都是由 ReentrantReadWriteLock 的 sync 提供同步实现
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}3.Sync类重要成员变量
// 用来移位
static final int SHARED_SHIFT = 16;
// 高16位的1
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
// 65535，16个1，代表写锁的最大重入次数
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
// 低16位掩码：0b 1111 1111 1111 1111，用来获取写锁重入的次数
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
// 获取读写锁的读锁分配的总次数
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
// 写锁（独占）锁的重入次数
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
加锁原理
图解过程
设计一个加锁场景，t1线程加写锁，t2线程加读锁，我们看下它们整个加锁得流程。
1.t1 加写锁w.lock()成功，占了 state 的低 16 位。
- 这里得state分为两部分
0_1,0表示高16位的值，1表示低16位的值。 - AQS当前占用线程
exclusiveOwnerThread属性指向t1线程。
2.t2线程执行加读锁 r.lock()，尝试获取锁，发现已经被写锁占据了，加锁失败。
3.t2线程被封装成一个共享模式node.SHARED的节点，加入到AQS的队列中。
4.在阻塞前，t2线程发现自己是队列中的老二，会尝试再次获取读锁，因为t1没有释放，它会失败，然后它会把队列的前驱节点的状态改为-1，然后阻塞自身，也就是t2线程。
- 上面中黄色三角形就是等待状态的值，前驱节点变成-1
- 上面中的灰色表示节点所在的线程阻塞了
5.后面如过有其他线程如t3,t4加读锁或者写锁，由于t1线程没有释放锁，会变成下面的状态。
上面是整个解锁的流程，下面深入源码验证这个流程。
源码解析
1.写锁加锁源码
WriteLock类的lock()方法是加写锁的入口方法。
static final class NonfairSync extends Sync {
// ... 省略无关代码
// 外部类 WriteLock 方法, 方便阅读, 放在此处
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
// AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
public final void acquire(int arg) {
if (
// 尝试获得写锁失败
!tryAcquire(arg) &&
// 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式
// 进入 AQS 队列阻塞
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
) {
selfInterrupt();
}
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 获取当前线程
Thread current = Thread.currentThread();
//获得锁的状态
int c = getState();
// 获得低 16 位, 代表写锁的 state 计数
int w = exclusiveCount(c);
// c不等于0表示加了读锁或者写锁
if (c != 0) {
if (
// c != 0 and w == 0 表示有读锁返回错误，读锁不支持锁升级, 或者
w == 0 ||
// w != 0 说明有写锁，写锁的拥有者不是自己，获取失败
current != getExclusiveOwnerThread()
) {
// 获得锁失败
return false;
}
// 写锁计数超过低 16 位最大数量, 报异常
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 写锁重入, 获得锁成功，没有并发，所以不使用 CAS
setState(c + acquires);
return true;
}
if (
// c == 0，说明没有任何锁，判断写锁是否该阻塞，是 false 就尝试获取锁，失败返回 false
writerShouldBlock() ||
// 尝试更改计数失败
!compareAndSetState(c, c + acquires)
) {
// 获得锁失败
return false;
}
// 获得锁成功，设置锁的持有线程为当前线程
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
// 非公平锁 writerShouldBlock 总是返回 false, 无需阻塞
final boolean writerShouldBlock() {
return false;
}
// 公平锁会检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有(false)才去竞争
final boolean writerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
}tryAcquire()方法是模板方法，由子类自定义实现获取锁的逻辑。- 线程如果获取写锁失败的话，通过
acquireQueued()方法封装成独占Node加入到AQS队列中。
2.读锁加锁源码
ReadLock类的lock()方法是加读锁的入口方法，调用tryAcquireShared()方法尝试获取读锁，返回负数，失败，加入到队列中。
// 加读锁的方法入口
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
public final void acquireShared(int arg) {
// tryAcquireShared 返回负数, 表示获取读锁失败，加入到队列中
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}tryAcquireShared()方法是一个模板方法，AQS类中定义语义，子类实现，如果返回1，表示获取锁成功，还有剩余资源，返回0表示获取成功，没有剩余资源，返回-1表示失败。
// 尝试以共享模式获取，返回1表示获取锁成功，还有剩余资源,返回0表示获取成功，没有剩余资源，返回-1，表示失败
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// exclusiveCount(c) 代表低 16 位, 写锁的 state，成立说明有线程持有写锁
// 写锁的持有者不是当前线程，则获取读锁失败，【写锁允许降级】
if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 高 16 位，代表读锁的 state，共享锁分配出去的总次数
int r = sharedCount(c);
// 读锁是否应该阻塞
if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 尝试增加读锁计数
// 加锁成功
// 加锁之前读锁为 0，说明当前线程是第一个读锁线程
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
// 第一个读锁线程是自己就发生了读锁重入
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
// cachedHoldCounter 设置为当前线程的 holdCounter 对象，即最后一个获取读锁的线程
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
// 说明还没设置 rh
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
// 获取当前线程的锁重入的对象，赋值给 cachedHoldCounter
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
// 还没重入
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
// 重入 + 1
rh.count++;
}
// 读锁加锁成功
return 1;
}
// 逻辑到这 应该阻塞，或者 cas 加锁失败
// 会不断尝试 for (;;) 获取读锁, 执行过程中无阻塞
return fullTryAcquireShared(current);
}
// 非公平锁 readerShouldBlock 偏向写锁一些，看 AQS 阻塞队列中第一个节点是否是写锁，是则阻塞，反之不阻塞
// 防止一直有读锁线程，导致写锁线程饥饿
// true 则该阻塞, false 则不阻塞
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
// 下面是公平锁的readerShouldBlock
// 公平锁会检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有(false)才去竞争
final boolean readerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}fullTryAcquireShared()方法是通过自旋的方式不断获取读锁，因为由于前面的readerShouldBlock返回false或者cas失败，导致没有获取到锁，需要不断重试。
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
// 当前读锁线程持有的读锁次数对象
HoldCounter rh = null;
for (;;) {
int c = getState();
// 说明有线程持有写锁
if (exclusiveCount(c) != 0) {
// 写锁不是自己则获取锁失败
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
} else if (readerShouldBlock()) {
// 条件成立说明当前线程是 firstReader，当前锁是读忙碌状态，而且当前线程也是读锁重入
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
} else {
if (rh == null) {
// 最后一个读锁的 HoldCounter
rh = cachedHoldCounter;
// 说明当前线程也不是最后一个读锁
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
// 获取当前线程的 HoldCounter
rh = readHolds.get();
// 条件成立说明 HoldCounter 对象是上一步代码新建的
// 当前线程不是锁重入，在 readerShouldBlock() 返回 true 时需要去排队
if (rh.count == 0)
// 防止内存泄漏
readHolds.remove();
}
}
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
// 越界判断
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 读锁加锁，条件内的逻辑与 tryAcquireShared 相同
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh; // cache for release
}
return 1;
}
}
}doAcquireShared()是在获取读锁失败的时候加入AQS队列的逻辑。
private void doAcquireShared(int arg) {
// 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为共享模式
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果前驱节点就头节点就去尝试获取锁
if (p == head) {
// 再一次尝试获取读锁
int r = tryAcquireShared(arg);
// r >= 0 表示获取成功
if (r >= 0) {
//【这里会设置自己为头节点，唤醒相连的后序的共享节点】
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 是否在获取读锁失败时阻塞 park 当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}setHeadAndPropagate()方法是在后续读锁被唤醒后，抢到锁要处理的逻辑，包括修改队列的头结点，以及唤醒队列中的下一个共享节点。
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
// 设置自己为 head 节点
setHead(node);
// propagate 表示有共享资源（例如共享读锁或信号量），为 0 就没有资源
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
// 获取下一个节点
Node s = node.next;
// 如果当前是最后一个节点，或者下一个节点是【等待共享读锁的节点】
if (s == null || s.isshared())
// 唤醒后继节点
doReleaseShared();
}
}解锁原理
图解过程
由于上面t1线程加的写锁，所有其他的线程都被阻塞了，只有在t1线程解锁以后，其他线程才能被唤醒，我们现在看下t1线程被唤醒了，会发生什么？
1.t1线程执行解锁w.unlock()成功，修改AQS中的state。
- 这里的state变为了0_0。
- AQS当前占用线程exclusiveOwnerThread属性变为null。
2.t1线程唤醒队列中等待的老二， 为什么不是老大，因为老大是一个空节点，不会设置任何的线程。t2线程被唤醒后，抢锁成功，修改state中高16位为1。
- 老二的线程节点变为蓝色节点
- AQS中的state变为1_0。
3.t2线程恢复运行，设置原来的老二节点为头节点
4.t2线程要做的事情还没结束呢，因为是共享模式，它现在释放了，就此时也唤醒队列中的下一个共享节点。
5.t3线程恢复去竞争读锁成功，这时state的高位+1，变成2。
6.这时候t3线程所在的Node设置为头节点，同时发现对列的下一个节点不是共享节点，而是独占节点，就不会唤醒后面的节点了。
7.之后t2线程和t3线程进入尾声，执行r.unlock操作，state的计数减一，直到变为0。
8.最后写锁线程t4被唤醒，去抢占锁成功，整个流程结束。
上面是整个解锁的流程，下面深入源码验证这个流程。
源码解析
1.写锁释放流程
WriteLock类的unlock()方法是入口方法，调用tryRelease()方法释放锁，如果成功，调用unparkSuccessor()方法唤醒线程。
public void unlock() {
// 释放锁
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放锁
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
// 头节点不为空并且不是等待状态不是 0，唤醒后继的非取消节点
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}tryRelease()方法是AQS提供的模板方法，返回true表示成功，false失败，由自定义同步器实现。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
// 因为可重入的原因, 写锁计数为 0, 才算释放成功
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
// 设置占用线程为null
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
}2.读锁释放流程
ReadLock类的unlock()方法是释放共享锁的入口方法。
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}tryReleaseShared()方法是由AQS提供的模板方法，由自定义同步器实现。
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
//自选
for (;;) {
int c = getState();
int nextc = c - SHARED_UNIT;
// 读锁的计数不会影响其它获取读锁线程, 但会影响其它获取写锁线程，计数为 0 才是真正释放
if (compareAndSetState(c, nextc))
// 返回是否已经完全释放了
return nextc == 0;
}
}调用doReleaseShared()方法唤醒等待的线程，这个方法调用的地方有两处，还记得吗，一个这是里的解锁，还有一个是前面加共享锁阻塞的地方，唤醒后获取锁成功，也会调用doReleaseShared()方法。
private void doReleaseShared() {
// 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
// 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
// SIGNAL 唤醒后继
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 因为读锁共享，如果其它线程也在释放读锁，那么需要将 waitStatus 先改为 0
// 防止 unparkSuccessor 被多次执行
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
// 唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
}
// 如果已经是 0 了，改为 -3，用来解决传播性
else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
// 条件不成立说明被唤醒的节点非常积极，直接将自己设置为了新的 head，
// 此时唤醒它的节点（前驱）执行 h == head 不成立，所以不会跳出循环，会继续唤醒新的 head 节点的后继节点
if (h == head)
break;
}
}以上就是详解Java ReentrantReadWriteLock读写锁的原理与实现的详细内容，更多关于Java ReentrantReadWriteLock读写锁的资料请关注其它相关文章！
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